WO2004044404A1 - Kolbenmaschine, insbesondere hubkolbenverbrennungsmotor mit zusätzlicher ladungssteuerung - Google Patents

Kolbenmaschine, insbesondere hubkolbenverbrennungsmotor mit zusätzlicher ladungssteuerung Download PDF

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Definitions

  • Piston engine in particular reciprocating piston internal combustion engine with additional charge control
  • the invention relates to a piston engine, in particular a reciprocating piston internal combustion engine with additional charge control according to the preamble of patent claim 1.
  • the invention is concerned with the problem of providing additional valves which are more suitable for the generic application.
  • This problem is solved in a generic reciprocating piston machine by designing the additional valves according to the characterizing features of patent claim 1.
  • An additional valve in the form of a rotating rotary valve used in the intake tract of an internal combustion engine for additional charge control is already known from DE 26 21 362 AI. Due to the lack of division of a charge channel area into two parallel charge channel paths with at least one provided rotating rotary valve provided there, the possibilities for additional charge control are limited. For example, in the case of a charge channel with parallel flow paths that are not parallel in areas and each have an additional control valve, it is not possible to change closing and opening times independently of one another, since their assignment depends on the unchangeable geometry of the rotating slide and the unchangeable geometry of the control edges on the housing Rotary slide valve is dependent.
  • the invention is based on the general idea that, by dividing the charge channel into regions in two mutually parallel flow paths, in each of which a rotating rotary slide valve is provided, almost any control options for the charge volume. flow through phase shift of the rotary movement of the rotary valve in the rotary valve to achieve.
  • Such a charge control variability according to the invention can in particular not be achieved with a device according to JP 22 41 925, in which an additional valve in the form of a rotary slide valve with two concentrically rotating rotary slide valves is used in an undivided charge channel.
  • Embodiments of the invention specifying various possible additional charge controls are shown in the drawing and are described in more detail below.
  • Fig. 1 is a schematic, partially sectioned
  • Fig. 3 shows a charge channel in a basic embodiment according to Fig. 1, in which, in contrast to the embodiment in Fig. 1 in one of the two Parallel flow paths two rotary slide valves are arranged in series,
  • FIG. 1 shows an example of a charge channel of a reciprocating piston internal combustion engine with an intake manifold 1, a charge channel 2 leading into the working space of the internal combustion engine and an area 3 of the charge channel 2 with two flow paths running parallel to one another, in each of which a rotary slide valve 4, 5 is provided as an additional control valve is.
  • the connection of the suction pipe 1 to the parallel flow paths within the area 3 of the charge channel 2 is not shown in the drawing.
  • the drive of the rotary slide valve within the rotary slide valve 4 and 5 is also not shown.
  • the rotary slide valves of the rotary slide valves 4 and 5 can be driven with the number of revolutions of the camshaft 6 acting on a main valve 7 controlling the working space of the internal combustion engine by the crankshaft of the internal combustion engine, not shown.
  • the main valve denoted by 7 is / - an inlet valve for the associated working space of the internal combustion engine, in which a piston oscillates in a reciprocating piston engine.
  • the rotary slide valves of the rotary slide valves 4, 5 can rotate out of phase with respect to one another and with respect to the phase position of the camshaft 6, for which purpose conventional phase shifting devices known per se must be switched on in the drive.
  • the camshaft 6 acts on the main valve 7 via, for example, a lever 8.
  • FIG. 2 each schematically show an intake valve lift (V) as a function of the crankshaft rotation angle of an internal combustion engine and the opening and closing times for the two rotary valves (40, 50, 4S, 5S) for an assigned engine cylinder as Working space.
  • V intake valve lift
  • the representation is such that the numbers entered on the ordinate mean 1 fully open and 0 closed cross section.
  • the operating point shown in the diagram in FIG. 2A corresponds to a non-functional state of the additional control valves designed as rotary valves 4, 5. Depending on the design of the suction system, such an operating point may be desired, for example, at the maximum power point.
  • the non-functional state of the rotary slide valves 4, 5 as additional control valves means that the rotary slide valves rotate, by means of which there is a flow state within the charge channel 2 as would also be the case with completely missing additional control valves.
  • Such a possible behavior of the additional control valves according to the invention is a particular advantage of the invention.
  • FIG. 2B shows a state in which an early inlet closing (FES) operating mode is set by phase adjustment of the rotary slide valves 4, 5 with respect to the camshaft 6, in which the charge quantity is only throttle-free is set via the closing times of the rotary slide valves 4, 5.
  • FES early inlet closing
  • SE ⁇ late intake opening operation
  • the rotary slide valves of the rotary slide valve shown in FIG. 3 rotate at half the camshaft speed and are phase-adjustable independently of one another with respect to the camshaft 6.
  • a combination of SE ⁇ and FES can be achieved.
  • FIG. 4A shows a charge control diagram for a clocked suction process with additional closing after first inflow.
  • 4C shows a combination of SE ⁇ and a clocked suction process.
  • Any inlet opening times and operating modes can be realized by suitable phase adjustment. Improvements are possible in the various operating modes of piston engines, such as internal combustion engines in two- and four-stroke operation, Otto, Diesel, Gas, Miller, Atkinson, HCCI, free-suction or supercharged operation.

Abstract

Eine Kolbenmaschine, insbesondere Hubkolbenverbrennungsmotor mit - einem durch Hauptventile (7) gesteuerten Arbeitsraum, - einem zu mindestens einem der Hauptventile (7) führenden Ladungskanal (2),- einem in mindestens zwei parallel zueinander verlaufende Ladungskanalwege aufgeteilten Bereich (3) des Ladungskanals (2), - und in jedem der beiden parallel zueinander verlaufenden Ladungskanalwege mindestens einem, den dortigen Teil des Ladungsvolumenstromes steuerbaren Zusatzventil, die zusatzventile sind als bei Maschinenbetrieb einsinnig rotierende Drehschieberventile (4, 5) ausgebildet, die Volumendurchflußströme der Haupt- und Zusatzventile (7, 4, 5) einerseits sowie der Zusatzventile (4, 5) untereinander andererseits sind variabel aufeinander abstimmbar.

Description

Kolbenmaschine, insbesondere Hubkolbenverbrennungsmotor mit zusätzlicher LadungsSteuerung
Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine, insbesondere einen Hubkolbenverbrennungsmotor mit zusätzlicher Ladungssteuerung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine solche Einrichtung ist aus US 2002/0005158 AI bekannt. Die Zusatzventile sind dort als jeweils oszillierend angetriebene Klappen- bzw. Flügelventile ausgebildet. Bei hohen Frequenzen bereiten oszillierende Antriebe grundsätzlich wegen der jeweils erforderlichen Verzögerungen und Beschleunigungen Probleme. Insbesondere bei schnelldrehenden Verbrennungsmotoren sind diese Probleme zumindest ohne einen hohen einrichtungsmäßigen Aufwand nicht oder zumindest nicht mit ausreichender Betriebssicherheit erreichbar.
Hiervon ausgehend beschäftigt sich die Erfindung mit dem Problem, für den gattungsgemäßen Anwendungszweck besser geeignete Zusatzventile zur Verfügung zu stellen. Gelöst wird dieses Problem bei einer gattungsgemäßen Hubkolbenmaschine durch eine Ausbildung der Zusatzventile nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein in dem Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors zur zusätzlichen Ladungssteuerung eingesetztes Zusatzventil in der Form eines rotierend arbeitenden Drehschiebers ist bereits aus DE 26 21 362 AI bekannt. Durch eine bei jener Ausführung fehlende Aufteilung eines Ladungskanalbereiches in zwei parallele Ladungskanalwege mit dort jeweils zumindest einem vorgesehenen, rotierend arbeitenden Drehschieber sind die Möglichkeiten für eine zusätzliche Ladungssteuerung beschränkt. So ist es beispielsweise bei einem Ladungskanal mit nicht bereichsweise parallel geführten, mit jeweils einem Zusatzsteuerventil versehenen Parallelströmungswegen nicht möglich, Schließ- und Öffnungszeiten voneinander unabhängig verändern zu können, da deren Zuordnung von der unveränderbaren Geometrie des rotierenden Schiebers sowie der unveränderbaren Geometrie der gehäuseseitigen Steuerkanten des Drehschieberventiles abhängig ist.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, durch eine bereichsweise Aufteilung des Ladungskanales in zwei parallel zueinander verlaufende Strömungswege, in denen jeweils ein rotierend arbeitendes Drehschieberventil vorgesehen ist, nahezu beliebige Steuermöglichkeiten für den- Ladungsvolumen- ström durch Phasenverschiebung der Rotationsbewegung der Drehschieber in den Drehschieberventilen zu erreichen.
Eine solche erfindungsgemäße Ladungssteuervariabilität lässt sich insbesondere nicht mit einer Einrichtung nach JP 22 41 925 erreichen, bei der in einem ungeteilten Ladungskanal ein Zusatzventil in der Form eines Drehschieberventiles mit zwei konzentrisch ineinanderlaufenden Drehschiebern eingesetzt ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Angabe verschieden möglicher Ladungszusatzsteuerungen sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben.
In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 eine schematische, teilweise geschnittene
Ansicht eines Ladungskanales mit einem Par- allelströmungsbereich mit einem Drehschieber-Zusatzventil in jedem der beiden Strömungsteilbereiche ,
Fig. 2 A bis D Ladungssteuerdiagramme ,mit Bezug auf einen zu befüllenden Arbeitsraum,
Fig. 3 einen Ladungskanal in einer Grundausführung nach Fig. 1, bei der im Unterschied zu der Ausführung in Fig. 1 in einem der beiden Parallelströ ungswege zwei Drehschieberventile in Reihe angeordnet sind,
Fig. 4 A bis C mit einer Einrichtung nach Fig. 3 im Unterschied zu derjenigen nach Fig. 1 erreichbare Ladungssteuerdiagramme .
Fig. 1 zeigt ein Beispiel für einen Ladungskanal eines Hubkolbenverbrennungsmotors mit einem Saugrohr 1, einem in den Arbeitsraum des Verbrennungsmotors führenden Ladungskanal 2 und einem Bereich 3 des Ladungskanales 2 mit zwei parallel zueinander verlaufenden Strömungswegen, in denen jeweils ein Drehschieberventil 4, 5 als Zusatzsteuerventil vorgesehen ist. Die Verbindung des Saugrohres 1 mit den parallelen Strömungswegen innerhalb des Bereiches 3 des Ladungskanals 2 ist zeichnerisch nicht dargestellt. Auch der Antrieb der Drehschieber innerhalb der Drehschieberventile 4 und 5 ist nicht dargestellt. Grundsätzlich können die Drehschieber der Drehschieberventile 4 und 5 mit der Umdrehungszahl der auf ein den Arbeitsraum des Verbrennungsmotors steuerndes Hauptventil 7 einwirkenden Nockenwelle 6 durch die nicht gezeichnete Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben werden. Das mit 7 bezeichnete Hauptventil ist/- ein Einlaßventil für den zugeordneten Arbeitsraum des Verbrennungsmotors, in dem bei einem Hubkolbenmotor ein Kolben oszilliert. Die Drehschieber der Drehschieberventile 4, 5 können gegeneinander und gegenüber der Phasenlage der Nockenwelle 6 phasenverschoben rotieren, wozu übliche, an sich bekannte Phasenverschiebungseinrichtungen in den Antrieb einzuschalten sind. Die Nockenwelle 6 wirkt über beispielsweise einen Hebel 8 auf das Hauptventil 7 ein.
Die einzelnen Diagramme in Fig. 2 zeigen jeweils schematisch einen Einlaßventilhub (V) in Abhängigkeit des Kurbelwellen- drehwinkels eines Verbrennungsmotors sowie jeweils die Öff- nungs- und Schließzeiten für die beiden Drehschieber (40, 50, 4S, 5S) für einen zugeordneten Motorzylinder als Arbeitsraum. Die Darstellung erfolgt jeweils derart, dass die auf der Ordinate eingetragenen Ziffern 1 voll geöffneter und 0 geschlossener Querschnitt bedeuten.
Der in dem Diagramm in Fig. 2A dargestellte Betriebspunkt entspricht einem funktionslosen Zustand der als Drehschieber 4, 5 ausgebildeten Zusatzsteuerventile. Ein solcher Betriebspunkt kann je nach Auslegung der Sauganlage beispielsweise im Maximalleistungspunkt erwünscht sein. Funktionsloser Zustand der Drehschieber 4, 5 als Zusatzsteuerventile bedeutet, dass eine Rotation der Drehschieber erfolgt, durch die ein Strömungszustand innerhalb des Ladungskanals 2 vorliegt wie er auch bei vollständig fehlenden Zusatzsteuerventilen gegeben wäre. Ein solches mögliches Verhalten der erfindungsgemäßen Zusatzsteuerventile ist ein besonderer Vorteil der Erfindung.
Die Fig. 2B zeigt einen Zustand, bei dem durch Phasenverstellung der Drehschieber 4, 5 gegenüber der Nockenwelle 6 nach früh eine Betriebsart Frühes-Einlass-Schließen (FES) eingestellt ist, in der die Ladungsmenge drosselfrei nur über die Schließzeitpunkte der Drehschieberventile 4, 5 eingestellt wird. Für den unteren und mittleren Drehzahlbereich kann mit FES auch eine Erhöhung des Volllastdrehmoments erreicht werden. Eine weitere Drehmomentsteigerung kann durch kurzzeitiges Unterbrechen des Saugvorgangs möglich werden, wie es in Fig. 2C dargestellt ist. Die Behinderung der Strömung erzeugt brennraumseitig Unterdruck und saugrohrseitig Staudruck, was beim Wiederöffnen gemeinsam eine höhere Zylinder-, das heißt Arbeitsraumladung bewirkt, als eine Ansaugung mit keinem optimierten Schließpunkt für das Einlaßventil, vergleichbar mit der Wirkung eines Lufttaktventiles (LTV) . Fig. 2D zeigt schematisch die Offen- und Geschlossenzeiten für den Betrieb Spätes-Einlass-Öffnen (SEÖ) .
Durch die Verwendung zweier in Reihe geschalteter Drehschieberventile 4, 9 in einem der beiden parallelen Strömungswege innerhalb des Ladungskanals 2, wie sie in Fig. 3 schematisch dargestellt ist, können Betriebsarten gemäß den Ladungssteuerdiagrammen in Fig. 4 dargestellt realisiert werden.
Die in Fig. 3 eingetragenen Drehschieber der Drehschieberventile rotieren mit halber Nockenwellendrehzahl und sind unabhängig voneinander gegenüber der Nockenwelle 6 phasenverstellbar. Durch ein Geschlossenhalten des Drehschieberventils 5 und eine geeignete Phasenverstellung der Schieber der Drehschieberventile 4 und 9 kann eine Kombination aus SEÖ und FES erreicht werden. Dies ist in Fig. 4A dargestellt. Fig. 4B zeigt ein Ladungssteuerdiagramm für einen getakteten Ansaugvorgang mit zusätzlichem Schließen nach dem ersten Einströmvorgang. Fig. 4C zeigt eine Kombination von SEÖ und einem getakteten Ansaugvorgang.
Durch geeignete Phasenverstellung können beliebige Einlassöffnungszeiten und Betriebsarten realisiert werden. Verbesserungen sind dabei bei den verschiedenen Betriebsarten von Kolbenmaschinen, wie beispielsweise Verbrennungsmotoren im Zwei- und Viertaktbetrieb, Otto, Diesel, Gas, Miller, Atkin- son, HCCI, freisaugender oder aufgeladener Betrieb möglich.

Claims

Ansprüche
1.' Kolbenmaschine, insbesondere Hubkolbenverbrennungsmotor mit
- einem durch Hauptventile gesteuerten Arbeitsraum,
- einem zu mindestens einem der Hauptventile führenden La- dungskanal,
- einem in mindestens zwei parallel zueinander verlaufende Ladungskanalwege aufgeteilten Bereich des Ladungskanals,
- und in jedem der beiden parallel zueinander verlaufenden Ladungskanalwege mindestens einem, den dortigen Teil des Ladungsvolumenstromes steuerbaren Zusatzventil, gekennzeichnet durch die Merkmale,
- die Zusatzventile sind als bei Maschinenbetrieb einsinnig rotierende Drehschieberventile (4, 5, 9) ausgebildet,
- die Volumendurchflußströme der Haupt- und Zusatzventile (7; 4, 5, 9) einerseits sowie der Zusatzventile (4, 5, 9) untereinander andererseits sind variabel aufeinander abstimmbar.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einer der parallel verlaufenden Wege des Ladekanals (2) mindestens zwei Drehschieberventile (4, 9) in Reihe geschaltet vorgesehen sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch geken zeichne , dass die Drehschieberventile (4, 5, 9) synchron zur Kolbenbewegung rotieren.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichne , dass die Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine den Drehschieberventilen (4, 5, 9) als Antriebsquelle dient.
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